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發(fā)布時(shí)間：2019-09-27
發(fā)布者：宏譽(yù)半導(dǎo)體
近年來(lái)，隨著功率半導(dǎo)體器件、工業(yè)半導(dǎo)體、汽車(chē)電力電子等領(lǐng)域的空前發(fā)展，第三代半導(dǎo)體材料越發(fā)凸顯其重要性與優(yōu)越性。目前發(fā)達(dá)國(guó)家都將第三代半導(dǎo)體材料及相關(guān)器件等的發(fā)展列為半導(dǎo)體重要新興技術(shù)領(lǐng)域。那么，什么是第三代半導(dǎo)體材料？
三代半導(dǎo)體材料的發(fā)展變遷
第一代半導(dǎo)體材料主要是指Si、Ge元素半導(dǎo)體，它們是半導(dǎo)體分立器件、集成電路和太陽(yáng)能電池的基礎(chǔ)材料。由于地球富含Si元素，所以目前大多數(shù)的半導(dǎo)體器件、集成電路等都是在Si襯底上加工形成的。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，硅材料的制備與工藝日臻完美，Si基器件的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)也經(jīng)過(guò)了多次迭代和優(yōu)化，正在逐漸接近硅材料的極限，Si基器件性能提高的潛力愈來(lái)愈小。
第二代半導(dǎo)體材料是指化合物半導(dǎo)體材料，如GaAs、lnP、lnSb等，及三元化合物半導(dǎo)體材料，如GaAsAl、GaAsP等，還有一些固溶體半導(dǎo)體材料，如Ge-Si、GaAs-GaP等；玻璃半導(dǎo)體（又稱(chēng)非晶態(tài)半導(dǎo)體）材料，如非晶硅、玻璃態(tài)氧化物半導(dǎo)體等；有機(jī)半導(dǎo)體材料，如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。
第三代半導(dǎo)體材料主要是以SiC、GaN、ZnO、金剛石、AlN為代表的寬禁帶（禁帶寬度2.3eVg<5.0eV，通常禁帶寬度大于5.0eV的材料定義為絕緣材料）的半導(dǎo)體材料。目前較為成熟的是SiC和GaN半導(dǎo)體材料，其中SiC技術(shù)最為成熟，而ZnO、金剛石和AlN等寬禁帶半導(dǎo)體材料的研究尚屬于起步階段。
如果說(shuō)第一代半導(dǎo)體材料奠定了微電子產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，第二代半導(dǎo)體材料奠定了信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，那么第三代半導(dǎo)體材料將是提升新一代信息技術(shù)核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要支撐。與前兩半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場(chǎng)、更高的熱導(dǎo)率、更大的電子飽和速度以及更高的抗輻射能力，滿(mǎn)足現(xiàn)代電子技術(shù)對(duì)半導(dǎo)體材料提出的高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等新要求，更適合制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。
全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)
由于第三代半導(dǎo)體材料可以被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，且具備眾多的優(yōu)良性能，可突破第一、二代半導(dǎo)體材料的發(fā)展瓶頸，故被市場(chǎng)看好的同時(shí)，隨著技術(shù)的發(fā)展有望全面取代第一、二代半導(dǎo)體材料。
目前第三代半導(dǎo)體材料已經(jīng)成為發(fā)達(dá)國(guó)家戰(zhàn)略部署重點(diǎn)。美國(guó)、日本、歐盟等國(guó)家和地區(qū)均將其置于重要的戰(zhàn)略位置，對(duì)其投入巨資進(jìn)行支持。2013年日本政府將SiC納入“首相戰(zhàn)略”，認(rèn)為未來(lái)50%的節(jié)能要通過(guò)它來(lái)實(shí)現(xiàn)；2014年1月，美國(guó)宣布設(shè)立國(guó)家下一代電力電子制造業(yè)創(chuàng)新學(xué)院，5年內(nèi)將至少投入1.4億美元，對(duì)寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)行研究，加速其商業(yè)化應(yīng)用；2016年10月，美國(guó)成立半導(dǎo)體工作組，專(zhuān)注于加強(qiáng)美國(guó)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)；2015年英國(guó)政府和威爾士政府為卡迪夫大學(xué)投資超過(guò)2 900萬(wàn)英鎊，用于建設(shè)新的化合物半導(dǎo)體研究所（ICS），該研究所不僅是下一代化合物半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新中心的重要組成部分，也是建設(shè)歐洲第5個(gè)半導(dǎo)體集群戰(zhàn)略的關(guān)鍵組成部分。
跨國(guó)企業(yè)也積極布局發(fā)展第三代半導(dǎo)體材料。第三代半導(dǎo)體材料吸引了大批國(guó)際巨頭公司。美國(guó)的科銳公司、道康寧、II-VI公司、國(guó)際整流器公司、射頻微系統(tǒng)公司、飛思卡爾半導(dǎo)體公司，德國(guó)的SiCrystal公司和Azzurro公司，英國(guó)的普萊思公司，日本的富士通公司和松下公司，加拿大的氮化鎵系統(tǒng)公司等，紛紛開(kāi)展第三代半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用技術(shù)研發(fā)工作，以期在未來(lái)半導(dǎo)體市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中繼續(xù)保持有利地位。
我國(guó)緊抓第三代半導(dǎo)體材料彎道超車(chē)的機(jī)會(huì)
雖然我國(guó)開(kāi)展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比較晚，與國(guó)外相比水平較低。但我國(guó)也在積極推進(jìn)，國(guó)家和各地方政府陸續(xù)推出政策和產(chǎn)業(yè)扶持基金發(fā)展第三代半導(dǎo)體相關(guān)產(chǎn)業(yè)，地方政策也大量出臺(tái)。一方面，多地均將第三代半導(dǎo)體寫(xiě)入“十三五”相關(guān)規(guī)劃，另一方面，不少地方政府有針對(duì)性對(duì)當(dāng)?shù)鼐哂幸欢▋?yōu)勢(shì)的SiC和GaN材料企業(yè)進(jìn)行扶持。2013 年科技部在“863”計(jì)劃新材料技術(shù)領(lǐng)域項(xiàng)目征集指南中明確將第三代半導(dǎo)體材料及其應(yīng)用列為重要內(nèi)容。2015 年和 2016 年國(guó)家02 專(zhuān)項(xiàng)也對(duì)第三代半導(dǎo)體功率器件的研制和應(yīng)用進(jìn)行立項(xiàng)。2016年，福建、廣東、江蘇、北京、青海等27個(gè)地區(qū)出臺(tái)第三代半導(dǎo)體相關(guān)政策（不包括LED）近30條。
隨著國(guó)家對(duì)第三代半導(dǎo)體材料的重視，我國(guó)第3代半導(dǎo)體材料在研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面取得很大成就。英諾賽科、世界先進(jìn)、世紀(jì)金光半導(dǎo)體、中車(chē)時(shí)代電氣等多家中國(guó)企業(yè)布局第三代半導(dǎo)體晶圓生產(chǎn)線(xiàn)，積極進(jìn)行相關(guān)的研發(fā)與生產(chǎn)。2018年6月，中國(guó)電科二所SiC單晶粉和設(shè)備生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)新突破，實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)生產(chǎn)；同月，廣東省“寬禁帶半導(dǎo)體材料、功率器件及應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新中心”成立，英諾賽科投資60億元的寬禁帶半導(dǎo)體項(xiàng)目落戶(hù)蘇州吳江；2018年7月，世界先進(jìn)積極擴(kuò)增8英寸GaN產(chǎn)能，預(yù)計(jì)明年中實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，是全球首座8英寸GaN代工廠，國(guó)內(nèi)首個(gè)《第三代半導(dǎo)體電力電子技術(shù)路線(xiàn)圖》正式發(fā)布；2018年8月，深圳加碼第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)布局，起草了《深圳市坪山區(qū)人民政府關(guān)于促進(jìn)集成電路第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展若干措施（征求意見(jiàn)稿）》，將依托5G試點(diǎn)建設(shè)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)；2018年9月，“十二五”期間，863計(jì)劃重點(diǎn)支持的“第三代半導(dǎo)體器件制備及評(píng)價(jià)技術(shù)”項(xiàng)目進(jìn)行驗(yàn)收；同月，國(guó)內(nèi)首條碳化硅智能功率模塊(SiC IPM)生產(chǎn)線(xiàn)在廈門(mén)芯光潤(rùn)澤科技有限公司正式投產(chǎn)……
只有加快第三代半導(dǎo)體材料應(yīng)用開(kāi)發(fā)，我們才有望不再重蹈第一代、第二代半導(dǎo)體發(fā)展受制于人、下游應(yīng)用領(lǐng)域高度依賴(lài)進(jìn)口的被動(dòng)局面。
